FR2483119A1

FR2483119A1 - Element resistif en technique microbande et circuit comportant au moins un tel element

Info

Publication number: FR2483119A1
Application number: FR8011226A
Authority: FR
Inventors: Andre Bensussan; Roland Girardat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1980-05-20
Filing date: 1980-05-20
Publication date: 1981-11-27
Also published as: FR2483119B1; EP0040567B1; DE3172877D1; EP0040567A1

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A UN ELEMENT RESISTIF REALISE EN TECHNIQUE MICROBANDE ET A UN CIRCUIT COMPORTANT AU MOINS UN TEL ELEMENT. L'INVENTION A POUR OBJET UN ELEMENT RESISTIF MICROBANDE EN LIGNE FORME ENTRE UN PLAN DE MASSE DEPOSE SUR UNE FACE D'UN SUBSTRAT DIELECTRIQUE ET UN DEPOT RESISTIF DONT LA LARGEUR DIMINUE PROGRESSIVEMENT LE LONG DE LA LIGNE A PARTIR D'UNE LARGEUR INITIALE WEGALE A LA LARGEUR DE LA LIGNE D'ACCES, DE FACON QU'IL N'Y AIT PAS RUPTURE D'IMPEDANCE ENTRE CETTE LIGNE D'ACCES ET LA LIGNE RESISTIVE, LA LOI DE VARIATION DE CETTE LARGEUR ETANT DETERMINEE POUR QUE LA PUISSANCE DISSIPEE PAR UNITE DE SURFACE SOIT CONSTANTE. APPLICATION, NOTAMMENT, AUX CHARGES D'EXTREMITES UTILISEES DANS DES ELEMENTS REALISES EN TECHNIQUE MICROBANDE TELS QUE COUPLEURS OU CIRCULATEURS.

Description

TUR/MOA 1

L'invention concerne un élément résistif en tech-

nique microbande et un circuit comportant au moins une

telle ligne.

Dans le domaine des circuits réalisés en techni-

que microbande pour la microélectronique, des problèmes

particuliers se posent lorsque les fréquences de fonc--

tionnement de ces circuits augmentent. En effets pour les très hautes fréquences, supérieures à une dizaine de gigahertz, les ondes (dites centimétriques) ont une longueur d'onde inférieure à 3cmo A ces fréquences, les dimensions des éléments de circuits sont du mgme ordre que la longueur d'onde. Par conséquent0 ces éléments ne peuvent plus 9tre considérés comme ponctuels. Cela est

vrai en particulier pour les éléments résistifs.

Dans les circuits en technique microbande actuel-

lement réalisés, les éléments résistis sont constitués par des dépots résistifs dont les dimensions0eépa.sseur

largeur et longueur0 déterminent la valeur de la ré-

sistance. En général, l'épaisseur du dépat est telle que, lorsque le dép8t résistif est carré, la valeur de sa résistance soit 50-SLo Dans ces conditions, la longueur L du dépôt par rapport à sa largeur W détermine la valeur de la résistance: R par exemples Si L-OS5 W,

R = 25-Du et si L=2W, R = 100JXS.

Cette technique permet de réaliser les charges utilisées sur certaines branches d'éléments réalisés en

technique microbande tels que les coupleurs0 les cir-

culateurs etc..

Comme indiqué ci-dessuse tant que les dimensions

du dép8t résistif sont petites par rapport à la lon-

gueur d'onde utilisée, la résistance peut Etre consi-

dérée comme ponctuelle. D'autant que, si les puissances à dissiper sont assez faibles, les dimensions du dép8t résistif peuvent etre faibles. Par contre, lorsque les puissances à dissiper augmentent, il est nécessaire

d'augmenter la surface dissipative (la densité de puis-

sance susceptible d'être dissipée étant de l'ordre de

Watt par millimètre carré).

Par conséquent, il faut augmenter les dimensions du dép8t et la longueur du dép8t résistif n'est plus négligeable par rapport à lalongueur d'onde. De plus,

la largeur de ce dép8t résistif augmentant, il y a rup-

ture d'impédance entre la ligne d'accès et la résis-

tance et réflexion d'une partie de la puissance inci-

dente. Lorsque la puissance à dissiper est assez grande et que la fréquence est élevée, par exemple lorsque le

dép8t résistif doit dissiper 1W à une dizaine de Giga-

hertz, d'autres inconvénients s'ajoutent à ceux indi-

qués ci-dessus. Si on veut conserver les dépôts résis-

tifs ayant les formes décrites,les dimensions de la surface dissipative sont réduites (petites devant la

longueur d'onde) d'o une densité de puissance dissi-

pée par unité de surface élevée;ce qui introduit une

température de fonctionnement très grande et qui entrai-

ne un effet de vieillissement acceléré limitant la du-

rée de vie de l'élément. Or les durées de vie de cer-

tains circuits réalisés en technique microélectronique pour des usages particuliers se chiffrent en millions

d'heures. Dans de tels circuits, cet effet de vieillis-

sement n'est pas tolérable. Pour limiter cet inconvé-

nient, la technique actuelle consiste à former la ré-

sistance utile en mettant en série et en parallèle plu-

sieurs dép8ts résistifs rectangulaires tels que décrits

ci-dessus.

Enfin, les retours à la masse de tels dép8ts ré-

sistifs se font en général par des trous métallisés qui mettent le dép8t résistif réalisé sur une face d'un substrat en contact électrique avec le plan de masse

réalisé sur l'autre face du substrat. Ces trous, à réa-

liser dans le substrat, augmentent le prix de revient de

la charge.

L'invention a pour objet un élément résistif en technique microbande qui évite tous ces inconvénients et permet de dissiper des puissances assez élevées à de

très hautes fréquences.

Suivant l'invention, un élément résistif en tech-

nique microbande, formé sur un substrat diélectrique ayant sur l'une de ses grandes faces un dépôt conducteur formant plan de masse, est principalement caractérisé en ce qu'il est constitué par une ligne résistive ouverte

à son extrémité formée entre le plan de masse et un dé-

p8t résistif déposé sur l'autre grande face du substrat.

Le dép8t a une épaisseur donnée, et une largeur t5 constante ou diminuant progressivement-depuis une largeur initiale liée à la largeur de la ligne d'accès; la-loi de variation de cette largeur est alors déterminée à partir de la loi de variation de la puissance dissipée

par l'élément résistif souhaitée.

L'invention a également pour objet un circuit réalisé en technique microbande comportant au moins un

tel élément résistif.

L'invention sera mieux comprise et d'autres ca-

ractéristiques apparattront à l'aide de la description

qui suit en référence aux figures annexées.

- La figure 1 représente un élément résistif se-

lon l'art connu.

La figure 2 représente un premier mode de réa-

lisation de l'élément résistif suivant l'invention

ayant une largeur constante et des courbes correspon-

dantes représentant la variation de l'atténuation et

la variation de puissance le long de cet élément.

- La figure 3 représente un second mode de réa-

lisation de l'élément résistif suivant l'invention, dont la largeur diminue progressivement le long de la

ligne, et des courbes correspondantes.

- La figure 4 représente un troisième mode de réa-

lisation de l'élément résistif suivant l'invention.

Sur la figure t a été représenté un élément résis-

tif selon l'art connu. Cet élément résistif est consti- tué d'un dép8t résistif 1, couplé à la ligne d'accès formée par le ruban métallisé 2 et le plan de masse métallisé 3, déposés sur les deux faces d'un substrat

diélectrique 4. Ce dépôt résistif t est relié électri-

O10 quement au plan de masse par l'intermédiaire d'un trou

effectué dans le substrat, un dép8t métallique conduc-

teur 5 étant réalisé sur la première face du substrat et le trou 6 étant métallisé pour assurer la continuité

électrique jusqu'au plan de masse 3.

Sur la figure 2 qui représente un élément résis-

tif suivant l'invention, le dép8t résistif 10 est rec-

tangulairet de longueur L = Z - Z0 et de largeur cons-

tante W. Cet élément résistif est constitué par une o ligne résistive à constantes réparties formée entre le

plan de masse 3 et le dép8t résistif 10.

Sur une ligne à constantes réparties, le coeffi-

cient d'atténuation est par définition égal à: (1)< (z) = dP(z) o P(z) est la puissance P(z) dz

dissipée le long de la ligne.

Par ailleurs, dans une ligne à constantes répar-

ties fortement résistive, ce coefficient d'atténuation 1/2 est de la forme = ()r/, M étant la pulsation de est d la frme (= 2)

l'onde incidente, r et étant respectivement la résis-

tance répartie et la capacité répartie par unité de

longueur, toutes deux fonction de la largeur W de la li-

gne, c étant également fonction de l'épaisseur h du substrat et r étant également fonction de l'épaisseur e du dép8t résistif. Ce coefficient d'atténuation peut être mis sous la forme: (2)q = K(W)-n o K est une constante dépendant des différentes grandeurs indiquées

248 3 1 1 9

ci-dessus et n un exposant inférieur à X lié au matériau

formant le substrat.

Si la largeur W est constante, tout au long de la ligne, le coefficient d'atténuation" est également constant et la puissance dissipée le long de la ligne suit une loi P(z) = P oe -"z. Il faut noter que dans ce cas la puissance dissipée par unité de surface suit

également une loi exponentielle.

La figure 3 représente un dépôt résistif 20 dont la-forme est définie pour que la densité de puissance

dissipée par unité de surface soit constante sur l'en-

semble de la surface du dépôt résistif.

Si k est le coefficient de dissipation de puis-

sance, par unité de surfaces k étant constant, la puissance dissipée varie le long de la ligne suivant l'expression:

P(z) = kS(z) o S(z) est la surface du dép8t ré-

sistif entre labscisse z quelconque le long du dép8t et l'extrémité de la charge à l'abscisse L Si W(z) est la largeur du dép8t résistif, variable avec ze la puissance dissipée varie suivant la loi (3) P(z) = k W(z)dz et dPz - k W(z) icfLzet dz

Les expressions (l) et (2) donnent dans ces con-

ditions: (4) W(z)n+l1 = K L W(z)dz Si W(z) est de la forme: p

(5) W(z) = W0 (1 -L), l'égalité (4) sera réa-

Wn lisée si p = n et si --- =- n (6)

A partir d'une largeur de ligne WO donnée, un dé-

pot résistif dont le profil suit la loi W(z) donnée par l'expression (5) avec p = est tel que la puissance n dissipée par unité de surface est constante comme la température en chaque point de la charge. La longueur

L est déterminée à partir de W, k et n par l'expres-

sion (6).

La puissance dissipée le long de la ligne suit

alors une loi qui se déduit de celle de W(z) par l'équa-

tion (3) soit: (6) P(z) = P (1 -) n

Le coefficient de dissipation k peut être déter-

miné à partir de la surface de la charge:

P P

o0 n+l o0 k = S= S n WoL% Un tel profil de ligne conduit bien sar à une dissipation par unité de longueur de ligne dP(z), qui dz, u

n'est pas constante le long de la ligne.

L'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation. En particulier, dans certaines applications il

pourrait 9tre utile d'avoir non pas une densité de puis-

sance dissipée par unité de surface constante, mais une dissipation constante par unité de longueur, soit dP(z) dzÀ constante. Un calcul semblable à celui effectué ci-dessus, montre qu'alors le profil de la ligne doit 8tre tel que W(z) = Wo (1 - L) n. Dans ce cas la longueur L2 est L2 donnée par la formule L2 = K w n Ko

Ainsi, en fonction de la répartition de la puis-

sance dissipée souhaitée, il est possible de modifier

la forme du dépSt résistif.

Au lieu de modifier la forme du dép8t, il est théoriquement possible de modifier l'épaisseur de ce

dépSt pour obtenir que la puissance dissipée varie se-

lon une loi donnée. Cependant il est technologiquement assez difficile de faire varier l'épaisseur de ce dépôt en cours de fabrication. Une possibilité serait alors de modifier cette épaisseur a posteriori par des moyens

- mécaniques.

Comme indiqué ci-dessus, un élément résistif réalisé en technique microbande a, en particulier, l'avantage d'améliorer le taux d'onde stationnaire à l'entrée de la charge du fait qu'une certaine adaptation est réalisée. Ceci est surtout vrai si la puissance dissipée par unité de surface reste constante ou si la puissance par unité de longueur reste constante, car

dans ces deux cas l'atténuation de la charge est infi-

nie: il n'y a aucune puissance réfléchie de l'extrémi-

té de la charge vers son entrée. De plus un tel élément résistif est très facile à réaliser du fait qu'il n'est plus nécessaire de prévoir un retour de masse par trou

métallisé comme précédemment.

Enfin, les lois de variation de largeur indiquées

ci-dessus se rapprochent d'un profil en triangle.

En première approximation, il est donc possible d'obtenir un élément résistif de bonnes caractéristiques en donnant à la charge la forme d'un triangle. Ce mode de réalisation de l'élément résistif est représenté sur

la figure 4.

En effet, comme le montre la figure 3, la plus grande partie de la puissance est absorbée après une

fraction de la longueur L1 * Par exemple, pour un subs-

trat d'alumine ayant une permittivité E = 9,2.,-

r d'épaisseur h = 0,635 mm et un dépôt résistif formé de nitrure de tantale d'épaisseur e = 2000 R, la largeur de la ligne d'accès étant W0 = 0,6 mm (ligne à 50l-.), pour une fréquence F = 7 GHz, l'exposant n = 0,175

et la longueur L = 23,7 mm.

L A une abscisse z = 2 la puissance restant à P absorber est inférieure a j-. Il est donc possible de limiter le dépot résistif à une longueur égale à a par exemple, en suivant le profil dont l'équation est donnée cidessus. Il est également possible comme le montre la figure 4, de remplacer cette forme de dépôt par un triangle isocèle de base W et de hauteur LI o 2 ' 30

L'invention n'est pas limitée aux modes de réali-

sation précisément décrits et représentés. D'autres formes de dep8ts résistifs formant avec le plan de

masse une ligne résistive à constantes réparties peu-

vent également etre utilisées en fonction de la répar-

tition de la puissance dissipée souhaitée. De tels élé-

ments résistifs ne nécessitant pas de retour de masse

et permettant d'adapter les caractéristiques de l'élé-

ment résistif à celles de la ligne d'accès.

Claims

REVENDICATIONS t. Elément résistif en technique microbande, for- mé sur un substrat diélectrique ayant sur l'une de ses grandes faces un dép8t conducteur formant plan de masse, caractérisé en ce qu'il est constitué par une ligne ré- sistive ouverte à son extrémité formée entre le plan de masse et un dépôt résistif déposé sur l'autre grande fa- ce du substrat, ce dép8t résistif étant couplé à une ligne d'accès. Elément résistif selon la revendication g SO caractérisé en ce que ce dép8t a une épaisseur (e) don- née, et une largeur constante. Elément résistif selon la revendication t caractérisé en ce que ce dép8t résistif a une largeur (W) diminuant progressivement depuis une largeur ini- tiale (W0) liée à la largeur de la ligne d'accès, la loi de variation de cette largeur étant déterminée à partir de la loi de variation de la puissance dissipée par l'élément résistif souhaitée.

4. Elément résistif selon la revendication 3 a caractérisé en ce que la largeur (W) du dép8t varie en fonction de l'abscisse (z) correspondante le long de la

ligne suivant la loi W = W0 ( - L) o n est un expo-

Li

sant fonction du substrat sur lequel est formé l'élé-

ment résistif et L une longueur fonction des caracté-

ristiques de la ligne résistive, la puissance dissipée

par unité de surface étant constante.
5. Elément résistif selon la revendication 3 caractérisé en ce que la largeur(W) du dép8t varie en fonction de l'abscisse (z) correspondante le long de la I ligne suivant la loi W = Wo (t - 2)K, o n est un exposant fonction du substrat sur lequel est formé

l'élément résistif et L 'une longueur liée aux carac-

téristiques de la ligne résistive, la puissance dissi-

pée par unité de longueur de ligne étant constante.
6. Elément résistif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur (W) du dépôt varie linéairement en fonction de l'abscisse(z) correspondante,

la puissance dissipée par unité de surface étant quasi-

constante. 7. Elément résistif selon l'une quelconque des

revendications précédentes, caractérisé en ce que le

substrat est formé d'alumine, le dép8t résistif étant

formé de Nitrure de Tantale.
8. Circuit microélectronique caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément résistif selon l'une

quelconque des revendications précédentes.